摘 要

如今，螺旋翼飞行器的发展势头迅猛，涉及众多高精尖科技领域，其灵活的运动能力和载重能力给各个行业和领域带来了便利。本文以四轴螺旋翼飞行器为例，以MWC四轴飞行器开源方案为蓝本，进行了四轴飞行器的研究制作。论文主要研究四轴飞行器的空气动力学原理与以STM32芯片为基础的模块化嵌入式方案。

论文研究了四轴飞行器的飞行和姿态变化的空气动力学原理，介绍了以STM32嵌入式芯片为核心的飞行控制器电路板设计。飞行控制器包括电源模块、导航模块、接收机模块与电机模块。其中电机模块中使用无刷电机，通过电调与PWM控制方案控制电机转速。导航模块使用运动集成器件MPU-6050模块，通过陀螺仪与加速度计共同测量姿态。接收机无线接收2.4G控制信号。最终实现了可进行飞行调试的四轴飞行器样机。

通过最后结果可以证实，四轴飞行器使用STM32芯片增加了飞行器功能的可扩展性，且通过MPU-6050的飞行姿态控制方案较为可靠，可作为研究人员进行四轴飞行器研究的一种参考方案。

关键词：四轴飞行器；飞行控制器；嵌入式；PID控制；惯性导航

Abstract

Nowadays, rotorcraft is developing rapidly which has been used in many high-tech areas, referring to its convenience of flexible moving capacity and load capacity. The paper is mainly about the study and manufacture of quadcopter by the example of quad-rotorcraft and chief source of MWC quadcopter open source program. In this paper, what is mainly reaserched are the quadcraft aerodynamics and modular  embedded  solutions based on STM32 chip.

The paper discusses the aerodynamics of quadcopter flight and attitude change, and introduces the design of flight controller cored on STM32 embedded chip, consisting of a power supply module, a navigation module, a receiver module and a motor module. In motor module, motor speed is controlled by ESC with PWM. Navigation module, mainly consisting motion integrated device MPU-6050 module, measures the flying attitude with gyroscope and accelerometer. Receiver module reveives 2.4G control signal.

Finaly a sample quadcopter is successfully made, and flight debugging is available.

The final results show that, STM32 chip promotes the function scalability of quadcopter, and the flying attitude controlling program is reliable which can be referred in quadcopter research for reserchers.

Key Words：Quadcopter; Flight controller; Embedded; PID control; Inertial navigation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 飞行器关键技术 4

1.4 论文结构 5

第2章 四轴飞行器工作原理 6

2.1 引言 6

2.2 四轴飞行器基本结构及原理 6

2.2.1 四轴飞行器介绍 6

2.2.2 四轴飞行器整体结构 7

2.2.3 四轴飞行器控制原理 7

2.3 本章小结 8

第3章 四轴飞行器系统设计 9

3.1 四轴飞行器总体设计 9

3.2 四轴飞行器硬件设计 10

3.2.1 主控芯片 10

3.2.2 电源模块设计 11

3.2.3 导航模块设计 11

3.2.4 遥控器接收机模块设计 12

3.2.5 电机驱动模块设计 13

3.2.6 其他模块设计 14

3.3 四轴飞行器软件设计 16

3.4 本章小结 17

第4章 四轴飞行器实现与调试分析 18

4.1 四轴飞行器的实现 18

4.2 四轴飞行器的调试 18

4.3 上位机软件基本介绍 19

4.4 本章小结 19

第5章 总结与展望 21

5.1 内容总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

附录A 飞控原理图 23

附录B 程序代码截图 24

致 谢 25

第1章 绪论

四轴飞行器是一种智能机器人，符合无人飞行器的特征，顾名思义“四轴”是指有四个飞行器引擎提供动力，一般小型四轴飞行器的引擎为无刷电机，通过接收机接收信号，使用飞行控制器中的程序进行控制。控制人员能在陆地、舰艇等任意位置操控飞行器，实现无人机的跟踪和远程定位。四轴飞行器与普通载人飞行器相比，具有很多优点，如体积比较小、价格低廉、方便使用等，它们可以在十分多的场合运用。迄今为止，四轴飞行器的研究已经运用到商用、军用和民用等各种领域。在军事领域的，它们的前途也是不可估量的。在近些年的海洋战争和陆地战争，尤其是空中战争中，已经有很多国家使用无人飞行器进行自动攻击，它们不仅可以作为空中军事力量，而且可以作为侦查平台，获取情报信息。它们可以在恶劣的环境下侦查军事情报、监视战争情况、激光制导等。在民用领域，无人飞行器也有很多用处，比如深林救火、抗震抢险中投放物资、危险地段清洁、高空探测诸多方面。飞行器的小型化、多样性更加大了其应用范围，这说明无人四轴飞行器在未来的应用潜力不可估量^[1]。

1.1 课题研究的背景

四轴飞行器属于多旋翼飞行器，能够垂直起降，其体积较小，执行任务中有较强远距离侦查能力，军事应用前景广泛，与传统固定翼飞行器相比有得天独厚的优势。首先，其本身机械结构较为简单，通过控制各旋翼马达的转速就能实现飞行控制，飞行过程中十分灵活，可以实现悬停、垂直起降、室内低速飞行、翻滚俯仰等高难度飞行姿态。四轴飞行器具有十分强的侦查探测能力，在士兵的操控下，它们可以任意飞行，进行侦查工作，无论是多么复杂的地形，多么窄的飞行范围，这种小型四轴飞行器都可以胜任，操作简便。它甚至可以直接装载弹药执行攻击任务^[2]。

四轴飞行器属于一种强耦合、多变量的非线性欠驱动系统，受四个变量控制，能产生六个方向的自由度，所以在控制过程中需使用多通道遥控器，但是四轴飞行器控制难度十分大，飞行过程中受风力等各种干扰因素影响，载重也十分有限，需要将机身尽量做轻，这些问题导致了飞控的设计和实现的困难很大，难以建立精确的数学模型。